Nota ulang kaji: Keseimbangan Redoks

Keseimbangan Redoks ialah salah satu bab terbesar Tingkatan 5, dan ia menghargai dua kemahiran melebihi yang lain: menetapkan nombor pengoksidaan dengan tepat, dan menulis setengah persamaan yang betul. Selebihnya, penyesaran, pengaratan, elektrolisis, sel dan pengekstrakan, semuanya dibina di atas dua idea itu. Nota ini mengerjakan bab satu standard kandungan pada satu masa supaya anda boleh menyemak definisi anda dengan apa yang diharapkan skema pemarkahan.

9.1 Pengoksidaan dan penurunan

Terdapat tiga cara saling melengkapi untuk mentakrifkan pengoksidaan dan penurunan, dan peperiksaan boleh menguji mana-mana satu.

• Dari segi oksigen: pengoksidaan ialah penambahan oksigen; penurunan ialah kehilangan oksigen.
• Dari segi hidrogen: pengoksidaan ialah kehilangan hidrogen; penurunan ialah penambahan hidrogen.
• Dari segi elektron: pengoksidaan ialah kehilangan elektron; penurunan ialah penambahan elektron.

Ingat OIL RIG. Oxidation Is Loss, Reduction Is Gain, elektron. Inilah takrif yang paling kerap anda guna di Tingkatan 5, jadi jadikannya automatik.

Tindak balas redoks ialah tindak balas yang pengoksidaan dan penurunannya berlaku serentak, kerana elektron yang dihilangkan oleh satu spesies diterima oleh spesies lain. Agen pengoksidaan ialah bahan yang menyebabkan pengoksidaan dan ia sendiri diturunkan; agen penurunan menyebabkan penurunan dan ia sendiri dioksidakan. Menamakan agen dengan betul, dan menyatakan apa yang berlaku kepadanya, ialah sumber markah mudah yang kerap.

9.2 Nombor pengoksidaan dan perubahannya

Nombor pengoksidaan ialah nilai bertanda yang ditetapkan kepada satu atom untuk menjejak kawalan elektron. Pelajari peraturan ini mengikut urutan dan gunakannya dari atas:

• Nombor pengoksidaan unsur tak bergabung ialah 0 (contoh Cu, O₂, Cl₂).
• Bagi ion monoatom mudah, ia sama dengan cas ion (Na⁺ ialah +1, S²⁻ ialah −2).
• Logam Kumpulan 1 ialah +1, logam Kumpulan 2 ialah +2, aluminium ialah +3.
• Hidrogen biasanya +1 (tetapi −1 dalam hidrida logam seperti NaH).
• Oksigen biasanya −2 (tetapi −1 dalam peroksida seperti H₂O₂).
• Jumlah nombor pengoksidaan dalam sebatian neutral ialah 0; dalam ion poliatom ia sama dengan cas ion.

Gunakannya untuk mencari nilai yang tidak diketahui: dalam SO₄²⁻, oksigen menyumbang 4 × (−2) = −8, jadi sulfur mesti +6 supaya jumlahnya −2. Apabila nombor pengoksidaan satu atom meningkat, ia telah dioksidakan; apabila ia menurun, ia telah diturunkan. Nombor pengoksidaan juga memacu tatanama Stock, kuprum(II) bermaksud Cu dengan nombor pengoksidaan +2, ferum(III) bermaksud +3.

Tabiat peperiksaan. Untuk mengenal pasti tindak balas redoks, tetapkan nombor pengoksidaan kepada setiap atom di kedua-dua belah dan cari satu yang naik dan satu yang turun. Tiada perubahan bermakna tiada redoks.

9.3 Redoks dalam tindak balas penyesaran

Unsur yang lebih reaktif menyesarkan unsur yang kurang reaktif, dan ini ialah redoks kerana elektron dipindahkan.

• Penyesaran logam: logam yang lebih reaktif menyesarkan logam yang kurang reaktif daripada larutan garamnya, contohnya zink menyesarkan kuprum daripada kuprum(II) sulfat. Zink dioksidakan (hilang elektron); ion kuprum(II) diturunkan (terima elektron).
• Penyesaran halogen: halogen yang lebih reaktif menyesarkan halida yang kurang reaktif daripada larutan, contohnya klorin menyesarkan bromin daripada kalium bromida.
• Pemindahan elektron pada suatu jarak: jika bahagian pengoksidaan dan penurunan dipisahkan tetapi disambung dengan wayar dan jambatan garam, elektron mengalir melalui wayar dan boleh dikesan dengan galvanometer, membuktikan bahawa penyesaran ialah pemindahan elektron.

Tulis setiap perubahan sebagai setengah persamaan: Zn → Zn²⁺ + 2e⁻ (pengoksidaan) dan Cu²⁺ + 2e⁻ → Cu (penurunan). Elektron mesti seimbang apabila setengah persamaan digabungkan.

9.4 Pengaratan dan pencegahannya

Pengaratan ialah pengoksidaan ferum kepada ferum(III) oksida terhidrat, dan ia memerlukan kedua-dua air dan oksigen, buang salah satu dan karat tidak terbentuk. Ferum berkarat lebih cepat apabila bersentuhan dengan logam yang kurang reaktif (contoh timah), dan lebih lambat apabila bersentuhan dengan logam yang lebih reaktif.

Kaedah pencegahan dan sebabnya:

• Kaedah penghalang (cat, minyak, gris, plastik, penggalvanian, penyaduran timah): menghalang air dan oksigen.
• Perlindungan korban: lekatkan logam yang lebih reaktif seperti zink atau magnesium. Ia terkakis menggantikan ferum kerana ia melepaskan elektron dengan lebih mudah.
• Penggalvanian berfungsi dua kali: salutan zink ialah penghalang dan, jika tercalar, masih melindungi ferum secara korban.
• Pengaloian (keluli tahan karat) menentang kakisan dengan mengubah kimia permukaan logam.

9.5 Elektrolisis sebatian lebur dan akueus

Elektrolisis menguraikan elektrolit menggunakan arus terus. Kation bergerak ke katod (elektrod negatif) dan diturunkan; anion bergerak ke anod (elektrod positif) dan dioksidakan.

• Sebatian lebur: hanya ion sebatian itu hadir, jadi hasil diramal secara terus. Plumbum(II) bromida lebur memberi plumbum di katod dan bromin di anod.
• Larutan akueus: air turut membekalkan H⁺ dan OH⁻, jadi penyahcasan terpilih terpakai. Tiga faktor menentukan ion mana dinyahcas: kedudukan dalam siri elektrokimia (ion unsur yang kurang reaktif dinyahcas lebih mudah), kepekatan (ion halida yang sangat pekat mungkin dinyahcas menggantikan OH⁻), dan jenis elektrod (karbon lengai lawan elektrod reaktif seperti kuprum, yang melarut).

Rutin ramalan hasil. Senaraikan semua ion yang hadir, ambil setiap elektrod secara berasingan, gunakan tiga faktor, kemudian tulis setengah persamaan. Rutin ini memperoleh markah penuh dalam soalan elektrolisis.

9.6 Sel voltan dan sel elektrokimia

Sel voltan (galvani) menukar tenaga kimia kepada tenaga elektrik. Dua logam yang berbeza kereaktifan dicelup ke dalam elektrolit; logam yang lebih reaktif ialah terminal negatif (ia dioksidakan dan membebaskan elektron), dan logam yang kurang reaktif ialah terminal positif. Elektron mengalir melalui wayar luar dari logam yang lebih reaktif ke logam yang kurang reaktif. Semakin besar perbezaan kereaktifan, semakin tinggi voltan.

Sel elektrolisis melakukan sebaliknya, ia menggunakan tenaga elektrik untuk memacu perubahan kimia. Membandingkan kedua-duanya (perubahan tenaga, tanda elektrod, sama ada tindak balas spontan) ialah tugas peperiksaan yang lazim.

9.7 Siri kereaktifan dan pengekstrakan logam

Siri kereaktifan menyusun logam mengikut kesediaannya melepaskan elektron. Kedudukannya menentukan cara logam diekstrak daripada bijihnya:

• Logam sangat reaktif (kalium, natrium, kalsium, magnesium, aluminium) diekstrak dengan elektrolisis sebatian lebur, kerana ia memegang oksidanya terlalu kuat untuk karbon mengeluarkannya.
• Logam sederhana reaktif (zink, ferum, timah, plumbum) diekstrak dengan penurunan menggunakan karbon.
• Logam tidak reaktif (perak, emas) wujud secara asli atau memerlukan hanya pemprosesan ringan.

Tindak balas termit, yang aluminium menurunkan ferum(III) oksida, ialah penyesaran yang menunjukkan aluminium berada di atas ferum dalam siri.

Cara menggunakan nota ini

Ulang kaji satu standard pada satu masa dan uji diri anda dengan lantang. Berlatih menetapkan nombor pengoksidaan sehingga automatik, kemudian ulang setengah persamaan untuk penyesaran dan elektrolisis. Seorang guru satu-ke-satu boleh menyemak sama ada tanda elektrod dan setengah persamaan anda konsisten, dua tempat pelajar paling kerap tergelincir dalam bab Kimia SPM ini. Kemudian cuba soalan latihan dan tanda kerja anda mengikut definisi ini.